Forscher stellen biologisch abbaubare optische Komponenten her

Jun 11, 2023

Beugungsgitter aus Meeresfrüchteabfällen könnten Einwegspektrometer ermöglichen, die die Umwelt nicht belasten

OPTISCH

Bild: Forscher haben ein Verfahren entwickelt, um Krabbenschalen in einen Biokunststoff umzuwandeln, der zur Herstellung optischer Komponenten, sogenannter Beugungsgitter (in der Pinzette), verwendet werden kann.mehr sehen

Bildnachweis: Raphael A. Guerrero, Ateneo de Manila University

WASHINGTON – Forscher haben ein Verfahren entwickelt, um Krabbenschalen in einen Biokunststoff umzuwandeln, der zur Herstellung optischer Komponenten, sogenannter Beugungsgitter, verwendet werden kann. Die resultierenden leichten, kostengünstigen Gitter sind biologisch abbaubar und könnten tragbare Spektrometer ermöglichen, die auch für den Einmalgebrauch geeignet sind.

„Die Philippinen sind für köstliche Meeresfrüchte bekannt, aber diese Industrie ist auch eine Quelle großer Mengen fester Abfälle wie weggeworfener Krabbenschalen“, sagte Forschungsteamleiter Raphael A. Guerrero von der Ateneo de Manila University auf den Philippinen. „Wir wollten eine alternative Verwendung für Krabbenschalenabfälle finden und beschlossen, herauszufinden, ob Chitosan aus Krabbenschalen als biologisch abbaubarer Ersatz für Silikon verwendet werden könnte, das wir zuvor in unserem Labor zur Herstellung von Beugungsgittern verwendet hatten.“

In der Fachzeitschrift „Applied Optics“ der Optica Publishing Group zeigten die Forscher, dass sich aus dem Chitosan-basierten Biokunststoff Beugungsgitter herstellen lassen, die genauso funktionieren wie kommerziell erhältliche Gitter.

„Gitter aus Chitosan sind biologisch abbaubar und umweltfreundlich und gleichzeitig sehr kostengünstig, da Krabbenschalen im Allgemeinen als Abfall gelten“, sagte Guerrero. „Indem wir zeigen, dass nützliche optische Komponenten aus Materialien hergestellt werden können, die normalerweise als Abfall gelten, hoffen wir, dazu beizutragen, die Nachhaltigkeit in der optischen Herstellung zu verbessern und die Menge an Meeresfrüchteabfällen zu reduzieren, die entsorgt werden müssen.“

Krabbenschalen in Optik verwandeln

Aufgrund seiner vielversprechenden optischen Eigenschaften entschieden sich die Forscher für die Erforschung von Chitosan. In gereinigter Form als Lösung ist Chitosan transparent und lässt sich ähnlich wie Silikon formen, weist jedoch einen höheren Brechungsindex auf, was für bestimmte Anwendungen wichtig ist.

Um Chitosan aus Krabbenschalen zu extrahieren, wuschen die Forscher Schalen, die in einer örtlichen Verarbeitungsanlage gesammelt wurden, und trockneten sie in einem Ofen. Anschließend wurden die Schalen zu Pulver zerkleinert und durch einen chemischen Prozess in eine Chitosanlösung umgewandelt.

Die Forscher fertigten Gitter aus der Chitosanlösung mithilfe der Soft-Lithographie an, einem Replikationsverfahren, bei dem eine Silikonform verwendet wird, um die nanoskaligen Oberflächenmerkmale eines Objekts zu kopieren. Dabei wurde ein Silikonabdruck eines handelsüblichen Beugungsgitters hergestellt und anschließend die Chitosanlösung hineingegossen. Als die Lösung aushärtete, entstand eine Nachbildung des kommerziellen Gitters.

„Im Gegensatz zu subtraktiven Methoden wie dem Laserätzen entsteht bei unserer Soft-Lithographie-Technik kein Chitosan-Abfall“, sagte Guerrero. „Wir können auch die physikalischen Eigenschaften von Chitosan modifizieren, um sie besser an einen bestimmten Bedarf anzupassen, indem wir die verwendeten chemischen Schritte ändern.“

Ein Beugungsgitter hat eine Oberfläche mit Tausenden mikroskopisch kleinen Rillen, die weißes Licht in seine einzelnen Farben aufspalten können. Als weißes Licht zur Beleuchtung eines Chitosan-Gitters verwendet wurde, konnten die Forscher das erwartete Regenbogenmuster deutlich erkennen. Sie verwendeten auch Rasterkraftmikroskopie, um zu bestätigen, dass der Abstand zwischen den Rillen des Chitosan-Gitters dem des ursprünglichen kommerziellen Gitters entsprach. Schließlich ergaben Tests der Chitosan-Beugungsgitter mit einem Laserstrahl die korrekten Beugungsmuster.

Einwegspektrometer

„Beugungsgitter sind die Hauptkomponenten von Spektrometern, Instrumenten, die in einer Vielzahl industrieller und wissenschaftlicher Anwendungen verwendet werden, um die Art und Weise zu analysieren, wie Licht mit einer Probe interagiert, um deren chemische Zusammensetzung zu bestimmen“, sagte Guerrero. „Herkömmliche Gitter bestehen typischerweise aus schweren Materialien wie Glas, aber Gitter aus Chitosan könnten verwendet werden, um leichtere und kostengünstigere Spektrometer herzustellen.“

Die Forscher haben die Haltbarkeit der Chitosan-Gitter noch nicht getestet, sagen aber, dass sie für Einwegspektrometer für Feldarbeiten geeignet wären. Ein solches Instrument könnte beispielsweise zur Analyse der Wasserverschmutzung in einem Bach oder eines Lebensmittels oder Arzneimittels in der Fabrikhalle verwendet werden. Da das Material biologisch abbaubar ist, hätten Geräte aus Chitosan nur minimale Auswirkungen auf die Umwelt. Sie arbeiten auch daran, die Energieeffizienz der Chitosan-Gitter zu verbessern, um sie für praktische Anwendungen nutzbar zu machen.

„Für Gemeinden, die in der Krabbenindustrie tätig sind, insbesondere auf den Philippinen, stellen unsere Ergebnisse einen Mehrwert für ihre Meeresfrüchteprodukte dar, da selbst die Abfallbestandteile in der Optikherstellung Verwendung finden könnten“, sagte Guerrero. „Bei richtiger Zusammenarbeit zwischen Unternehmen und der lokalen Regierung könnte aus Krabbenschalen gewonnenes Chitosan zu einem höheren Einkommen und einer besseren Lebensqualität für Krabbenfischer und ihre Familien führen.“

Papier:EG Gumayan, IKD Dimzon, RA Guerrero, „Chitosan aus Krabbenschalenabfällen für die Softlithographie von Beugungsgittern aus Biokunststoff“, Applied Optics, vol. 62, Ausgabe 10 S. 2487-2492 (2023).DOI: https://doi.org/10.1364/AO.483336

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Angewandte Optik

10.1364/AO.483336

Chitosan aus Krabbenschalenabfällen für die Softlithographie von Beugungsgittern aus Biokunststoff

22. März 2023

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